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光電耦合元件

Wikipedia · 2025-07-03 维基百科 👁 1 阅读

光電耦合元件是以光（含可見光、紅外線等）作為媒介來傳輸電信號的一組裝置，其功能是平時讓輸入電路及輸出電路之間隔離，在需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式。光電耦合元件（，或），亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。

光電耦合元件可以在二個不共地的電路之間傳遞信號，二電路之間即使有高壓也不會影響。商用的光電耦合元件其輸入對輸出的耐壓可以到10 kV，而電壓變化率可以快到10 kV/μs。

光電耦合元件可分為類比;}-與數位;}-兩種，都是由光發射器和光偵測器組成。光發射器和光偵測器通常會整合到同一個封裝，但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連接。

常見的光電耦合元件是將發光二極體（LED）及光電晶體（LED）放在一個不透明的封裝中。其他的組合有LED-光电二极管、LED-LASCR及燈泡-光敏电阻。光電耦合元件一般會傳遞數位;}-信号，但配合一些技術，也可以用光電耦合元件傳送類比;}-信号。

光電耦合元件廣泛用於電氣隔離、電平轉換、驅動電路及工業通訊中，但因為寄生輸入輸出電容問題，其共模瞬變抑制（Common-Mode Transient Immunity）能力較弱，此外，其速度受限、光電耦合元件的功耗較高，以及元件容易老化都是其問題。

歷史
用光學方式耦合固態光發射器及半導體感測器的想法是在1963由Akmenkalns等人提出（US patent 3,417,249）。光敏電阻為基礎的光電耦合元件在1968年問世，其速度慢，但是是最線性隔離元件，在音樂及音響產業中仍有其利基市場。LED技術在1968–1970年的商品化，使得光電工程大幅成長，在1970年代末各種主要的光電耦合元件均已開發出來。光電耦合元件的主力是雙極性的矽光晶體感測器，可以達到足夠的的傳輸速度，足以用在像腦電圖之類的應用上，目前最快的光電耦合元件是利用光導模式的PIN型二极管。

原理
光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。

輸入的電信號驅動光發射源，使之發光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由於光耦合器輸入輸出間互相隔離，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的介面器件，可以大大增加其工作之可靠性。

光耦合器的光發射源一般會是紅外線的發光二極體，將電能轉換為特定波長的光，在發射源及接收器之間會有封閉式的光通道（也稱為電介質通道），接收器是光感測器，感測特定波長的光，可能直接轉換成電能量，也可能由此信號調變外部電源提供的電流。接收器可以是光敏电阻、光电二极管、光電晶體、（SCR）或TRIAC。發光二極體除了發射光之外，也可以作為光感測元件，因此可以用發光二極體作光感測元件，即為對稱性雙向光耦合器。光耦合的固態繼電器其中由有光电二极管的光耦合器來驅動功率開關，一般是一對互補的MOSFET。包括光發射源及接收器，但其光通道有開口，若其他物體擋住開口，使光無法通過，則接收器產生的信號也會隨之變化。

電氣隔離
中光電耦合元件，平面（上方）及矽圓頂（下方）配置的截面圖。LED（紅色）和感測器（綠色）的大小都比實際大小要大]]

電子零件、電氣信號及電源線都會受到閃電、靜電放電、電磁干擾、切換脈波及電源擾動所產生的電壓所影響。遠方閃電可以感應大到10kV的電壓，是許多電子元件耐壓的一千倍。電路也可以透過設計方式連接高電壓，此時就需要安全而可靠的裝置連接高電壓及低電壓的元件。。

光電耦合元件的主要功能之一是要阻隔高電壓以及電壓暫態，不讓這些電路中的電壓暫態影響電路的其他部份。以往這類的機能會由實現，利用電感耦合讓電流隔離的輸入及輸出端可以傳遞訊號。變壓器及光電耦合元件是僅有二種提供加強保護的功能，同時保護設備以及使用這些設備的人員。光電耦合元件的安全性、測試及承認受到各國以及國際性標準的規範：IEC 60747-5-2， 60747-5-2、UL 1577及CSA Component Acceptance Notice #5等。製造商發行的光電耦合元件規格至少需符合其中一項法規標準。

光電耦合元件透過由輸入信號調變的光束連接輸入端及輸出端，會將有用的輸入信息轉換為光，讓光通過介電質，送到接收端再轉換為電氣訊號。變壓器的本質可以雙向傳遞能量，而且轉換效率很高，而光電耦合元件和變壓器不同，光電耦合元件多半只允許單向的信號轉換（不過也有例外，參考雙向光耦合器），而且不能轉換功率。光電耦合元件可以轉換直流或是緩慢變化的信號，在輸入及輸出側不需要阻抗匹配。變壓器及光電耦合元件都可以破壞不希望出現的，接地迴路是在工業上及電氣設備中常見的情形，會因為接地線造成大電流或是雜訊電流。

光電耦合元件的實體配置和其隔離電壓的規格有關。若耐壓在數kV以下，一般會用平面（或是三明治）的架構。感測器晶粒會直接安裝在其封裝（多半是6引腳或是4引腳的雙列直插封裝）的導線架上。光通道會在可承容击穿电压而不會破壞的條件下，作的越薄越好。平面組件的击穿电压會和光通道層的厚度。

若是耐壓在2.5 to 6 kV之間的光電耦合元件，會採用另一種稱為矽圓頂（silicone dome）的架構。在此架構中，LED和感測器會放在包裝的兩側，LED會向側面的感測器發光。

種類

  • 電晶體耦合器：具有較高的換能效率，高耐壓性，低輸入驅動能力
  • 高速積體電路輸出耦合器：它有提供高速集成光能力的接收元件，速度為1－10兆赫茲。
  • 三端雙向可控矽耦合器：這種類型的耦合器主要用來控制AC載荷，例如發動機和螺線管。
  • 線性耦合器：結構由紅外線LED，與紅外線接收二極體組成，其輸出為純電流訊號。輸入電流與輸出電流有線性關係比，在光電二極體未飽和前，為線性輸出特性。
  • 光電繼電器SSR：又名固態繼電器或光電MOSFET，因為在一個輸出處裏裝配二顆MOSFET，在產品導通後，會與一般MOSFET相同，呈現電阻特性。

電阻輸出式光耦合器
最早期的光耦合器出現在1960年代，是由微型電燈泡為光源，使用硫化镉（CdS）或硒化镉（CdSe）光電阻（也稱為光敏電阻，LDR）為接收器，即為。若在控制線性度不太重要的場合，或是可用電流太小，無法點亮電燈泡的情形（例如真空管放大器），會用氖燈代替電燈泡。這類設備（或者只是LDR）一般稱為Vactrols，是Vactec公司的商標。不過此商標已經屬於通用商標，但原始的Vactrols仍然由珀金埃尔默製造。

電燈泡的點亮及熄滅時間約需數百毫秒，因此電燈泡變成等效的低通滤波器及整流器但也限制了頻率超過幾赫兹以上的應用。發光二極管（LED）在1968年–1970年引入，，製造商將電燈泡及氖燈改成LED，反應時間降到5ms，而且調變頻率可以高到 250 Hz.。Vactrol此一商品也包括LED基礎的零件，在2010年仍有小量的生產。

光電耦合元件中的光電阻是靠一層半导体均勻薄膜上的體效應，沒有p-n結，因此是驅動真空荧光显示器的理想元件。其他工業化應用包括复印机、工業自动化技术、專業測光設備以及曝光量測的曝光量測計。至今透過踏下效果器踏板而啟動的Vactrols在音樂產業中無所不在。缺乏真正的PerkinElmer Vactrols迫使DIY吉他社群開始自製電阻輸出式光耦合器。到目前為主，吉他手喜歡光耦合器的效果，因為電路架構分離了音源地及控制地的信號，因此「有本質上高品質的聲音」。而且這類光耦合器的性能會進一步的被因為光記憶（light history，镉化合物本質上會有的記憶效應）造成的電阻緩慢波動而影響。這類波動需數個小時才會穩定下來，而且只能被控制電路中的反馈抵消部份的影響。

光二極體輸出型光耦合器
光二極體輸出型光耦合器利用LED為光源，矽的光电二极管為感測器。若光二極體被外部電壓源逆向偏壓，入射光會減少二極體上的負向電流。二極體本身不會產生能量，而是調變由外部來源提供的能量。這種運作方式稱為「光導模式」（photoconductive mode）。相對的，若沒有外部的偏壓，二極體會轉換光能為电势能，將電壓差最多有0.7 V的端子充電。充電的速度和入射光的強度成正比。可以透過外部的高阻阻路徑排出電荷來獲得能量，電流轉換比例可以高到0.2%。惠普在1970年代末推出的6N137/HPCL2601系列都有內部的輸出放大器，其通訊速度可以到10 MBd。這也成為當時的產業標準，一直到後來從惠普分家的安捷倫科技，在2002年導入 50 MBd的元件7723/0723系列，才超越此一標準，其中包括CMOS的LED驅動器以及CMOS 缓冲放大器，需要二組獨立的5V電源。

光二極體輸出型光耦合器可以用做類比信號的介面電路，不過二極體的電流電壓非線性特性會造成。導入了一種特殊的類比光耦合器，用二個相同的光二極體及輸入端的運算放大器來補償二極體的非線性。其中一顆光二極體放在放大器的回授路徑上，因此可以維持固定的電流轉換比，不會受到光二極體的非線性影響。不過線性的電阻輸出式光耦合器以前就已使用此一概念，例如IL300。

利用MOSFET製成的固態繼電器開關一般會配合一個二極體輸出型光耦合器來驅動開關。MOSFET的閘極需要相對較小的電荷來使其開啟，且其穩態的漏電流較小。光伏模式的二極體輸出型光耦合器可以在短時間內產生導通的電荷來使其開啟，但其輸出電壓比MOSFET阈值电压要小很多。為了使輸出電壓大於阈值电压，固態繼電器會將最多13個光二極體串聯，以產生需要的電壓

光電晶體輸出型光耦合器
光電晶體在本質上就比光二極體要慢。最早期且速度最慢的是4N35光耦合器，在100 Ohm負載下，上昇及下降時間需5微秒，但仍相當常用，其頻寬無法超過10 kHz，10 kHz就可以應用在像腦電圖的應用。像1983年原始的MIDI規格就建議用像PC-900或6N138光耦合器，讓數位資料的傳輸速度可以到數十kps。為了達到最快的速度，光電晶體需要適合的偏置及提供適當的負載，例如4N28在最佳偏置下可以運作到50 kHz，但一般情形只有4 kHz。

設計光電晶體輸出型光耦合器的電路需要針對常見電子元件參數的大幅波動預留足夠的裕度，或是光耦合器有未預期的延遲，會造成H桥中某一腳的短路，供應商的只列出關鍵參數的最壞情形數值。實際的元件常會以一些不可預測的方式，讓情形比資料表中的最壞情形更差。光學的FET在導通時不需注入電荷到輸出電路中，特別適用在取樣保持電路中。但LED和其他的光電二極體一様可以偵測入射的光，因此在概念上可以用一組LED作雙向的光耦合器。最簡單的雙向光耦合器只是一組彼此相對的LED，再用熱縮套管包覆在一起，若是需要，LED之間的間隙可以用光導纖維來延伸。

可见光LED的轉換效率較差，一般雙向設備一般會用近红外线的GaAs、Si及LED。用GaAs:Si的LED所製的雙向光耦合器，不論運作在光电二极管的光伏（photovoltaic）模式或是光導（photoconductive）模式下，電流轉換效率都只有0.06%，比用光二極體的單向光耦合器要差，但已經符合實際的應用需求。

組態種類
一般來說，光電耦合元件是封閉配對的配置，也就是在在一個不透明的封裝內有光發射器及光感測器面對面擺放。

有些光電耦合元件是「槽型耦合元件-中斷器」的組態，光電耦合元件在發射器及感測器之間有開槽，而且可以影響其信號。這類的光電耦合元件適用在物體偵測，振動偵測，以及無彈跳的切換。

有些光電耦合元件是「反射對」的組態，其中有一個光源會發射光，另一個接收源，但是是接收由其他物體反射的光。反射式的光電耦合元件適用在轉速表、運動偵測器以及反射監視器。

後面兩種也稱為「光感測器」（optosensors）。

參看

  • 光電
  • 電流隔離
  • 有類似耦合/隔離機能的元件

** 微机电系统
** 电容耦合元件
** 巨磁阻效应
** 變壓器式隔離元件

腳註
參考資料
來源

外部連結

#電子元件 #光电子学 #顯示科技 #電子工業 #安全工程

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